化学反应工程试题

化学反应工程综合习题及答案

一、填空题:

1.所谓“三传一反”是化学反应工程学的基础,其中“三传”是指质量传递、热量传递和

动量传递,“一反”是指反应动力学。

2.各种操作因素对于复杂反应的影响虽然各不相同,但通常温度升高有利于活化能高的反

应的选择性,反应物浓度升高有利于反应级数大的反应的选择性。

3.测定非理想流动的停留时间分布函数时,两种最常见的示踪物输入方法为脉冲示踪法和

阶跃示踪法。

4.在均相反应动力学中,利用实验数据求取化学反应速度方程式的两种最主要的方法为积分

法和微分法。

5.多级混合模型的唯一模型参数为串联的全混区的个数N ,轴向扩散模型的唯一模型

参数为Pe(或Ez / uL)。

6.工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是活性、选择性和稳定性。

7.平推流反应器的E函数表达式为

,

()

0,

t t

E t

t t

?∞=

?

=?

??

,其无因次方差2θσ= 0 ,

而全混流反应器的无因次方差

2

θ

σ= 1 。

8.某反应速率常数的单位为m3 / (mol? hr ),该反应为 2 级反应。

9.对于反应22

A B R

+→,各物质反应速率之间的关系为(-r A):(-r B):r R=1:2:2 。

10.平推流反应器和全混流反应器中平推流更适合于目的产物是中间产物的串联反应。

11.某反应的计量方程为A R S

→+,则其反应速率表达式不能确定。

12.物质A按一级不可逆反应在一间歇反应器中分解,在67℃时转化50%需要30 min, 而在

80 ℃时达到同样的转化率仅需20秒,该反应的活化能为 3.46×105(J / mol ) 。

13.反应级数不可能(可能/不可能)大于3。

14.对于单一反应,在相同的处理量和最终转化率条件下,选择反应器时主要考虑反应器的

大小;而对于复合反应,选择反应器时主要考虑的则是目的产物的收率;

15.完全混合反应器(全混流反应器)内物料的温度和浓度均一,并且等于(大

于/小于/等于)反应器出口物料的温度和浓度。

16. 下图是某连串反应在各转化率下的产物浓度分布曲线,那么当转化率达70% 时,中间产物

R 的化学反应工程定义总收率为 64% ,按炼厂或化工厂惯用的收率和选择性的定义,在该转化率条件下的收率是 45% ,选择性是 64% 。

二、多项选择题:

1.关于理想的间歇式反应器、平推流反应器和全混流反应器,下列描述正确的是 A, C, D A. 三者同为理想反应器,但理想的内涵是不同的;

B. 理想的间歇式反应器和全混流反应器的理想的内涵是一样的,都是反应器内温度和组成处处相同;

C. 理想的间歇式反应器和全混流反应器的理想的内涵是不一样的,虽然都是反应器内温度和组成处处相同,但前者随着时间的变化温度和组成可能都发生变化,而后者则不随时间变化;

D. 平推流和全混流反应器都是连续流动式反应器,前者的返混为零,后者为无穷大 2. 关于积分法和微分法,认识正确的是 A, B

A. 积分法和微分法是两种求取动力学参数的数据处理方法,前者对数据的精度要求比后者

低;

B. 积分法不能处理动力学较为复杂的(反应物和产物不止一种、正反应和逆反应的反应级

数不同)可逆反应;

C. 积分法得到的动力学参数比微分法可靠

0 0.2 0.4

0.6 0.8 1.0

0.2

0.4

0.6 0.8

1.0

A R S

X A

C/C A0

3. 对于一级恒容和一级变容不可逆反应,下面叙述正确的是 C

A. 在同一平推流反应器内、在同样条件下进行反应,反应的转化率是一样的;

B. 在同一全混流反应器内、在同样条件下进行反应,反应的转化率是一样的;

C. 在同一间歇式反应器内、在同样条件下进行反应,反应的转化率是一样的;

D. 在同一平推流反应器或间歇式反应器内、在同样条件下进行反应,反应的转化率是一样

4. 对于瞬时收率和总收率,下列正确的判断是 A, C

A. 对于全混流反应器,反应的瞬时收率与总收率相等;

B. 对于平推流反应器,反应的瞬时收率与总收率相等;

C. 对于平推流反应器,反应的瞬时收率与总收率之间是积分关系;

D. 对于全混流反应器,反应的瞬时收率与总收率之间是积分关系;

5. 气相变容反应22A B C +?,原料中混入了一定量的惰性气体(惰性气体与A 和B 的转

化率为零时的初始总摩尔数比为1:1,A 与B 的比例为计量比),则膨胀率A ε为 C A. -0.5;B. -1/3;C. -1/6;D. -5/6

6. 纯气体A (浓度2 mol / L ,摩尔流率100 mol / min) 在平推流反应器里分解生成一系列产

物,其动力学为:A A C r products A )min 10(,5.21

-=-→,在一个9.8 L 的反应器里进行反应所能达到的转化率为 A A. 70%;B. 80%;C. 90%;D. 100%

7. 关于E 函数和F 函数,下面正确的是 B, C, D

A. F(t)= E(t);

B. ?

=

t

dt )t (E )t (F ;C. dt /)t (dF )t (E =;D. 1dt )t (E )(F 0

==∞?∞

8. 轴向分散系数与扩散系数,下面论述正确的是 B, C, D

A. 两者实质上是相同的,都符合Fick 定律;

B. 两者实质上是不同的,轴向分散系数的定义实际上是借用了Fick 定律的形式;

C. 轴向分散系数是与流动有关系的;

D. 扩散系数是物质本身的一种属性

9. 宏观流体和微观流体是流体凝集态的两种极端形式,流体的凝集态不同,对反应结果一般

有明显的影响,但对于 A, B 是例外。

A. 一级不可逆反应;

B. 在平推流反应器内进行反应;

C. 在全混流反应器内进行反应;

D. 零级反应 10.

对于一个气固相催化反应,减小外扩散和内扩散影响的措施正确的是 A

A. 提高反应器内气体的流速,减小催化剂颗粒的直径;

B. 降低反应器内气体的流速,减小催化剂颗粒的直径;

C. 降低反应器内气体的流速,增大催化剂颗粒的直径;

D. 增加催化剂颗粒的直径,提高反应器内气体的流速 11.

关于基元反应的认识,正确的是 A, B

A. 分子数是针对基元反应的概念;

B. 基元反应的计量系数与对应物种的反应级数之间存在一一对应关系;

C. 基元反应R A →和R 2A 2→意义是一样的;

D. 有的基元反应的总反应级数可能是小数 12.

对于一个均相变容反应,针对反应物A 的反应速率,下面表述正确的是 B,D

A. dt dC r A A -

=-;B. dt

dx

x 1C r A A A 0A A ?ε+=-;C. dt

)x 1x (d C r A

A A

0A A ε+=-;

D. dt

dN V 1r A A ?-

=- 13. 对于平行反应

S

A R

A 2

2211

1n ,E ,k n E ,k ???→????→?,,活化能E 1< E 2,反应级数n 1< n 2,如果目的产物是R

的话,我们应该在 D 条件下操作。

A. 高温、反应物A 高浓度;

B. 高温、反应物A 低浓度;

C. 低温、反应物A 高浓度;

D. 低温、反应物A 低浓度 14.

对于化学反应的认识,下面正确的是 B, D

A. 化学反应的转化率、目的产物的收率仅与化学反应本身和使用的催化剂有关系;

B. 化学反应的转化率、目的产物的收率不仅与化学反应本身和使用的催化剂有关,而且还

与反应器内流体的流动方式有关;

C. 反应器仅仅是化学反应进行的场所,与反应目的产物的选择性无关;

D. 反应器的类型可能直接影响到一个化学反应的产物分布 15.

对于一个串联反应,目的产物是中间产物,适宜的反应器是 B

A. 全混流反应器;

B. 平推流反应器;

C. 循环反应器;

D. 平推流与全混流串联在一起的反应器 16.

关于非理想流动与停留时间分布,论述正确的是 A, C

A. 一种流动必然对应着一种停留时间分布;

B. 一种停留时间分布必然对应着一种流动;

C. 一种停留时间分布可能对应着多种流动;

D. 流动与停留时间分布存在一一对应关系 17.

t /t e t

1

)t (E -=是 B

A. 平推流的E 函数;

B. 全混流的E 函数;

C. 平推流串联全混流的E 函数;

D. 全混流串联平推流的E 函数 18.

对于轴向分散模型,选择不同的边界条件,计算公式和结果都有所不同,这说明 D

A. 边界条件是人为设定的,是为了便于有关公式的推导;

B. 边界条件可以自由选取;

C. 边界条件决定于操作条件和反应装置的本身;

D. 边界条件不同,直接影响到反应器内的流动和反应。 19.

对于一个气固相催化反应过程,下列属于动力学因素的是 C, D

A. 气膜扩散;

B. 孔内扩散;

C. 反应物的吸附和产物的脱附;

D. 表面反应 20.

Langmuir 吸附模型的四个假定:均匀表面、单层吸附、吸附机理相同和无相互作用这

几点应该说是非常苛刻的,实际情况很难满足上述要求。然而,对于多数的化学反应,应

用这几点假定进行有关的推导,结果一般是可以接受的,其主要原因在于 A A. 实际反应过程中催化剂表面吸附物种的覆盖度很低; B. 实际的催化剂表面一般很平整;

C. 实际的催化剂表面上活性位间的距离较远;

D. 实际的催化剂表面上活性位的数量有限 21.

关于指前因子和活化能描述正确的是 B

A. 指前因子理论上与温度无关,活化能的取值永远都是正的,活化能大、温度低,反应速

率对温度的变化更敏感;

B. 指前因子理论上与温度有关,但与指数项相比其随温度的变化可以忽略,活化能的取值

永远都是正的,活化能大、温度低,反应速率对温度的变化更敏感;

C. 指前因子理论上与温度有关,活化能的取值不可能永远都是正的,活化能小、温度高,

反应速率对温度的变化更敏感;

22.

对于一级不可逆反应S R A 21k

k ?→??→?

,产物R 的最大浓度通常 C A. 只与速率常数的大小有关; B. 只与反应温度有关;

C. 与A 的初始浓度和速率常数的大小有关;

D. 只与A 的初始浓度有关 23.

测定停留时间分布常用的方法有脉冲示踪法和阶跃示踪法,关于这两种方法,下列描

述正确的是 A ,B ,D A. 这两种方法都是物理示踪法;

B. 根据脉冲示踪法得到的实验数据,可以直接得到E 函数;

C. 根据阶跃示踪法得到的实验数据,可以直接得到E 函数;

D. 根据阶跃示踪法得到的实验数据,可以直接得到F 函数

三、计算题:

1. 某一级液相反应A R →在一只全混流反应器中进行,转化率为95%,如果再串联一只同样的全混流反应器,使转化率仍维持在95%,试问处理量应增加多少?

【解】: 当反应在一个全混流反应器内进行时,根据全混流反应器的设计方程,有

1

11

1τ+=

-k x A (1)

当两个等体积全混流反应器串联时,转化率不变,则有

2

)2

1(11τ+=

-k x A (2)

根据式(1),得1τk =19;根据式(2),得=τk 6.94。

进料体积流率之比等于空时的反比,即

0101

101048.5,2//2v v V V v v R R =∴==τ

τττ。

也就是说,串联后进料体积流率应为原来的5.48倍,即需增加4.48倍。

2. 某速率常数为0.15 min -1的一级不可逆反应在一非理想反应器内进行反应,示踪结果表明,t

和2

θσ 分别为15 min 和0.21。求用多级混合流模型预测的转化率。

解:根据多级混合流模型无因次方差与N 之间的关系,有

2/1N θσ= = 4.76

根据一级不可逆反应多级混合流模型转化率的表达式,有

3. 反应物A 反应首先生成R (k 1 = 6 hr -1),R 进一步反应生成S (k 2 = 3 hr -1)和T (k 3 = 1 hr -1)。如果浓度为1.0 mol / L 的纯A 在一个全混流反应器内进行反应,求R 浓度达到最大值的空时及R 的最大浓度。

解:根据一级不可逆串联反应在全混流反应器中进行反应时中间物种最大浓度及达到最大浓度空时的公式,有:

842

.0x 158

.0)76.41515.01(1

)N

t k 1(1x 1A 76.4N A ==?+

=+=

-

3.0}

1]/){[(1

2

2/11320

max ,=++=

k k k C C A R L mol C R /3.0max ,= =+=

τ)

(1321k k k opt 0.2 hr

说明:上述两公式也可通过对反应物A 和产物R 两次应用全混流反应器设计方程,求得产物R 的浓度表达式,然后令R

dC =0d τ

,求出 τopt 和C R, max 的值。

4.某一级恒容反应A →P 在一平推流和一全混流反应器所组成的串联反应器组中进行,两反应器的有效容积均为Vr ,进料为纯A ,初始体积流率为v 0,试证明最后的总转化率与这两个反应器的串联顺序无关。(假设两反应器的温度相等且保持恒定,反应器被反应物全部充满)

解: 反应速率方程:A A r kC -= (a) 全混流在前,平推流在后

化学反应工程试题

由全混流的设计方程,得:010101A A A A R A A C C C C V v r kC τ--===-

故:0

10

1A A R C C V k v =

+ 由平推流的设计方程得:

11001

1ln A Af A A X C

Af R A A A x C A A A C V dx dC C v r kC k C ==-=--?? 则:0

0//0010

11R R kV v kV v k A A Af A R C C

C C e

e e V k k v ττ---==

=++

其中0

R

V v τ=

(b )平推流在前,全混流在后

化学反应工程试题

对平推流: 10100001ln A A A X C R A A

A A C A A

A V dx dC C C v r kC k C τ=

==-=--??

得:10k A A C C e τ-= 对全混流:110A Af

A Af R A

Af

C C C C V v r kC τ--==

=

-

得:01

11

k A A Af C C C e k k τττ-=

=++

即:两各反应器的排列顺序不影响反应结果

5.纯组分A 发生下述平行反应,

化学反应工程试题

R

S (目的产物)

r R =1 mol/(L.min)

r S =C A 2

mol/(L.min )P

r P =2C A mol/(L.min)

A 的起始浓度为2 mol / L ,反应在恒温的条件下进行,试确定在如下反应器中目的产物S 所能达到的最大浓度。

a. 平推流反应器

b. 全混流反应器 解:

(a) 对于平推流反应器:

2

2

(1)S A S A A dC C dC C ?==

-+002()1A A A A C C

A S S A A

C C A

C C dC dC C ?=-=-+??

2

1(1)1A A C

A C A

dC C =--

+? 000111

(1)(1)2ln

111A A A A A A

C C C C C C +=+-+--++++ 当S ?~C A 曲线下的面积最大,即A 完全转化(C A =0)时C S 最大,即:

,max 1

(12)12ln313

S C =+---+

= 0.469 mol / L

(b )对于全混流反应器:

0S

S S A A

C C C ?Φ=

=-

故:

200()()()1A S A A S A A A

C

C C C C C C ?=-=-+

223

003

(1)(23)22(1)S A A A A A A A A A dC C C C C C C C dC C +--+=+ 令

0S

A

dC dC =,得:20320A A A C C C +-= 解得:C A =1 mol / L 故:22

,max 01()()(21)()0.25111

A S A A A C C C C C =-=-=++ mol / L

6.某气相一级不可逆反应:

2A R S →+

在等温,等压条件下在一间歇反应器中进行,原料中含A 75%(mol ),8分钟后体积增加了一倍,求A 的转化率以及此温度下的速率常数。 解:

(1) 该反应为变容反应,

()2()i Inert A R S i Inert +→++

摩尔比; 0.25 0.75 即: 1/3 1 故:i =1/3,即:

11

233

Inert A R S Inert +→++

膨胀率:

10

,1,0

,0

11

(21)(1)

33 1.5113

A A A A A A x x total x total x A x total x V V n n V n ε======++-+--=

=

=

=+ 8分钟后:V =2V 0 = V 0(1+εA x A ) 解得:x A = 66.7 %

(2) 由间歇式反应器的设计方程,对一级反应,有:

ln(1)A kt x =--

则:1ln(1)ln(10.667)

0.137min 8

A x k t ----==-=

7.用一个1升的全混流反应器来确定某反应A R →的动力学方程,A 的液相溶液分别以不同

的流率和不同的初始浓度加入反应器,并测定A 的出口浓度,得到如下表所示的数据。

v 0 L / min C A0 mmol / L C A mmol / L 0.4 49.14 18.34 0.5 64.40 23.60 1 103.20 41.14 2 153.20 68.10 2

180.80

75.72

假设反应速率只与A 有关,求反应速率方程式。

解:根据全混流反应器的设计方程:0A A

A

C C r τ-=

-

得:0A A

A C C r τ

--=

由已知数据可得下述数据:

化学反应工程试题

假设:-r A = k C A n , 得:ln (-r A ) = ln k + n lnC A

以ln (-r A ) 对ln C A 做图,得一直线,截距= ln k = -3.3,得:k = 0.037 L / (mmol ?min) , 斜率=n=2,故速率方程为:-r A = 0.037C A 2

mmol / (L ?min)

8.在某实际反应器内用脉冲输入法测得其出口物料中示踪剂浓度的变化数据如下:

化学反应工程试题

试列出相应表格计算各反应时间下所对应的的E(t)值和F(t)值以及平均停留时间 ,并画出E (t) 和F (t) 曲线。

t 2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

1.5

2.02.5

3.03.5

4.04.5

5.05.5

6.0l n (-r A )

ln(C A )

解:由于是等时间间隔(?t = 1min ),利用矩形积分法可得到如下公式:

根据上述公式列表计算如下:

E (t )、

F (t )曲线图如下:

化学反应工程试题

化学反应工程试题

t,min 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C(t),g/L

0 0 3 5 6 6 4 3 2 1 0

3

8

14

20

24

27

29

30

30

E(t),min -1

0 0 0.1 0.17 0.2 0.2 0.13 0.1 0.07 0.03 0 F(t)

0.1

0.27

0.47

0.67 0.8

0.9

0.97

1.0

1.0

4.83

∑∑∑∑∑∑∑∞

=∞

=∞

=∞

=∞

==∞

==

=

=

?=

00

00

0)

()

()

()()

()

()(;)

()()(i i i i i i i t i

t i

i

t i

t i i t i

t

t i

i t i i i t C t C t t E t E t t t C t C t F t C t t C t E ∑=t

t i

i t C 0

)

(min

,t

9.向某实际反应器入口用脉冲法加入示踪物,在出口测得的示踪物浓度变化如下:

化学反应工程试题

若在该反应器内进行A →P 的一级异构化反应,已知反应流体为宏观流体,入口处A 的转化率为零,反应速度常数为0.045min -1,试用凝集流模型预测在该反应器出口处所能达到的转化率。(提示:凝集流模型公式 )

解:根据凝集流模型的计算公式: 其中,对于一级反应: 对于脉冲示踪法:

所以,可利用矩形加和法进行近似积分:

列表计算如下:

化学反应工程试题

dt t E t X X element A A )()(0

?=?

dt

t E t X X element A A )()(0

?=

?

∑∞

=?=0

)

()()(i t i i i t C t t C t E kt

elem ent A e t X --=1)(∑∑∑∑∑∞∞

-∞

-∞-=

??-=??=0

)

()

()1()()

()

1()()(i

i kt i i

i

i kt i i element i A A t C t C e

t t

t C t C e t t E t X X i

i 48

.039

704.1839

)

0432.1642.2154.4132.5338.3512.1494.00(?=++++++++=

∴A X

10.在Pt 催化剂上进行异丙苯分解反应: C 6H 5CH(CH 3)2 ? C 6H 6 + C 3H 6

若以A 、B 及R 分别表示异丙苯、苯及丙烯,σ代表催化剂上的一个活性中心,其反应步骤如下: A + σ ? A σ A σ ? B σ + R B σ ? B + σ

若表面反应为速度控制步骤,试由L-H 机理和Hougen-Watson 模型推导异丙苯分解的等温速度方程式。

解:由题意,步骤(2)应为速度控制步骤,设其中的正向、逆向反应速度常数分别为k r 、

k r ’

,有: 又由步骤(1)已达平衡,有: 由步骤(3)已达平衡,有: 而

代入原速度表达式,有:

(其中k = k r K A , K 为总化学反应平衡常数)

11.在直径为6 mm 的球形催化剂颗粒上进行某一级不可逆反应A →P ,已知:催化剂外表面上

的反应物A 浓度为9.5?10-5 mol / cm 3,温度为350 o C 。该反应为放热反应,热效应为 -131800 J/ mol-A ,活化能为103600 J/ mol-A 。催化剂颗粒的有效导热系数为2.01?10-3 J/ cm ?s ? o C ,

R

B r A r P k k r

θθ'-=V A A A P K θθ=V B B B P K θθ=1

=++V B A θθθB

B A A B

B B B

B A A A

A A B

B A A V P K P K P k P K P K P k P K P K ++=

++=

++=

∴1111

θθθB

B A A R

B A B

B A A R B A

r B

r A A r B B A A R B B r A A r P K P K K P P P k P K P K P P K k K k P K k P K P K P P K k P K k r ++-=

++-=

++-=1)

(1)

(1'

'

反应物A 在颗粒微孔内的有效扩散系数为0.015 cm 2/ s ,反应的本征反应速度常数k v = 11.8 s -1。试计算:

(1) 颗粒中心与催化剂外表面间可能达到的最大温度差;

(2) 在此种情况下(颗粒内部同时存在着浓度梯度和温度梯度)催化剂颗粒的内扩散有效系

数。

解:(1) (2) 由已知d P = 6 mm ,得R = 6 ? 0.1/ 2 = 0.3 cm ,

化学反应工程试题

查下图可得,η ? 0.6

)(44.93105.910

01.2015.0131800)(5

3

max C C D H T S P

e

?=????=

?-=

?--λ20

)

15.273350(314.810360015

.0)15.273350(1001.2105.9015.0131800)(414.8015.08.113.035

?+?==?+?????=?-==?==∴--S g S P S e e V s T R E T C D H D k R

γλβ

φ

12.在500℃下使用硅铝小球催化剂进行石脑油的催化裂化反应,该反应可近似当作一级不可

逆反应处理。已知催化剂的平均孔半径为30 ,颗粒直径为0.31 cm ,颗粒密度为1.14 g/cm 3,孔体积为0.35 cm 3/g ,油品的平均分子量为120,反应速度常数k W = 0.25 cm 3/s ?g -cat ,曲折因子 τ’

= 2。在反应条件下,催化剂微孔内的扩散主要是努森扩散,温度梯度基本可忽略,试计算此时催化剂的有效系数。 解:

化学反应工程试题

A 0

)

/(1047.12

35.014.110387.7)

/(10387.7120

15

.27350010309700)(970023323821

s cm V D D D De s cm M T D g P K P K P k a ----?=???=

'='='=∴?=+???==τττρεε对于努森扩散:

784

.0)156.21

)156.2tanh(1(156.23)1tanh 1(3156.21047.114.125.0231.03=-?=-=∴=???===∴-S S S e P w e V S D k R D k R

φφφφηρ

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